将数值模拟融入泵与风机课程中的教学改革

张静 陈先培

[摘 要]随着计算机技术的快速发展，数值模拟技术也得到了快速发展，其不仅可以应用在科学研究中，也可应用于课程教学中。高校可通过教学改革，将数值模拟技术融入泵与风机的教学过程中。实践证明，通过课程改革，学生可以更好地理解和掌握理论知识，并初步具备运用所学知识进行泵与风机内部流动及汽蚀现象进行模拟的能力、复杂物体的三维建模能力以及相关技术标准、设计手册的查阅能力等，锻炼和提高了学生的交流、沟通和表达能力，以及团队合作能力，学生创新能力也得到了提高。

[关键词]数值模拟;泵与风机;创新能力;课程改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）11-0101-04

泵与风机在国民经济建设中应用非常广泛[1]，该课程也是能源与动力工程专业非常重要的一门专业课。此次课程教学改革始终将成果教育作为教育理念，以学生为中心，把学生的课程体验作为课程指标，将数值模拟技术融入泵与风机的教学改革中，让学生在自主学习、自我思考的同时，提高实践操作能力。让学生在掌握理论知识的同时，能做到合理运用理论知识去解决一些简单的实际工程问题。此次课程改革，意在让学生知理论、会操作、能力强、素质高，注重学生的全面培养。

一、存在问题

流体在泵和风机内部流动情况十分复杂，在现实生活中很难将其清楚地表述出来。而该课程最大的特点是书本引用的圖表多且杂，公式冗杂，提到的概念十分抽象。授课方式上还是以教师讲授的传统授课方式为主，采用“传授知识到接受知识”的模式，在课堂上教师与学生的互动较少，这便直接导致学生上课积极性和课堂参与度降低。而根据往年的教学经验，在课下借助实验室教学模型，让学生们通过拆装模型等方式，也仅仅能够让学生对泵与风机的结构组成有初步的了解，对泵与风机在运行时的内部流体流动情况、性能特性与运行原理等，很难有一个形象的概念 [2]。

泵与风机这门课程的重要性不仅体现在其理论性，更重要的是实际应用，即如何运用学到的理论知识解决实际工程问题。而通过往年的教学经验，在课堂中，教师和学生往往将重点放在了基础理论和核心知识点的讲解和学习上面，从而忽视了本门课程的实际应用，没有做到将理论运用到实际中[3]，因而学生在之后的毕业设计和工作中遇到问题时，不能很好地运用书中所学理论知识来解决。目前，此课程还存在的问题主要有：1.学生将学习本课程当作应试;2.本课程的理论课与实验课学时分配不均，导致学生不能将理论知识通过动手实践巩固起来。

二、教学方法改革方式

在课程教学中，讲授基本理论的同时，教师可以穿插引入数值模拟所得到的结果来让学生理解所学理论知识[4，5]。比如在学习第一章泵与风机的叶轮理论时，学生很难理解流体如何在泵或风机内部流动，这时可将离心泵数值模拟得到的结果通过多媒体课件展现给学生，例如流体在离心泵内部流动的轨迹线，如图1所示;三维内部压力分布，如图2所示;二维单个截面流速、压力、湍动能等分布，以沿出口中心横截面的三者分布示意图为例，如图3、图4和图5所示。给出数值模拟结果直观图示，在让学生了解离心泵结构组成的同时，也更加直观地理解流体在离心泵内部的流动情况。同理也可以给出轴流泵或其他类型泵或风机的流场和压力分布图。

在学习第二章泵与风机的性能时，为了降低冲击损失，尽量要求其在设计工况下运行，而偏离设计工况性能就会受到影响。这部分内容学生很难理解，尤其是涡流损失，如果采用数值模拟的计算结果进行对比，就很容易理解了。以下是同一型号离心泵分别在设计工况以及偏离设计工况的小流量工况下运行的对比图，内部速度分布对比图如图6所示，压力分布对比图如图7所示，湍动能分布对比图如图8所示。由图6、图7和图8可知，与设计工况相比，在0.8Q时，流道内的速度、压力和湍动能都出现了不均匀的分布情况。在三级项目中，学生可以再进一步去验证其他工况对流场的影响。

在学习第四章泵的汽蚀时，汽蚀产生的原因是叶轮进口压力低于特定温度下的液体的汽化压力，这部分在传统授课中，学生对于汽蚀具体位置理解有困难，如果采用数值模拟对压力进行计算，压力大小用云图可直观地表示出来，汽蚀的位置也能明显标注出来。图9为不同入口压力时水蒸气的体积分数分布，水蒸气数量的多少对于汽蚀的产生和位置判断很重要。可以灵活改变入口压力，用等值面可视化汽蚀区域，图9仅列出了入口压力为40000Pa、20000Pa、18000Pa和175000Pa时， 10%水蒸气的等值面。由图9可见，入口压力较高时，没有水蒸气产生，也就不可能发生汽蚀，但入口压力下降，汽蚀就会出现，但没有显著影响性能（早期空化），直到叶片通道由于蒸汽有足够的堵塞。在这一点上，性能下降（在这种情况下迅速下降）。这可由计算得到的汽蚀余量和扬程说明，如表1所示。

这样做结果非常直观，学生理解起来比较容易，同时能够真正做到自己去模拟、去计算，拓宽学习的广度。有了直观理解，在课程教学过程中就可以加入数值模拟的相关理论知识。教师可提前布置三级项目任务，在三级项目教学中，项目主要以泵的自行制作和数值模拟为主，学生根据课上所学知识，在实验室条件下制作简易水泵，同时将数值模拟和实验融合在一起，内容为采用相关本专业模拟软件（如ANSYS CFX）针对实验所用泵与风机（主要为离心式和轴流式泵与风机）的内部流动和汽蚀现象，完成泵与风机三维建模、初始及边界条件的选择、泵与风机内流体流动的模拟、三级项目汇报书撰写及答辩汇报PPT的制作。最终的考核采用抽签方式确定汇报小组顺序及各小组汇报人，要求学生给出相关的方案设计说明书，并在结课时提交报告。

本课程三级项目的实施，不仅能够巩固学生在课堂中学到的理论知识，锻炼学生的计算能力，而且能够让学生初步了解有关离心泵选型、三维建模以及对离心泵进行数值模拟相关方面的知识。其能促进各小组学生课下相互讨论、积极思考，也能促进各小组间学生的合作，锻炼了学生思考、交流、合作的能力，培养了他们的求知欲和责任感。

要将理论课程中的疑难问题和课程三级项目中遇到的相关技术问题进行汇总，通过上网查阅资料等方式将课程内容进行拓展，在讨论课中集体进行讨论及解答。讨论课以学生上台讲演、提出问题及观点并且集中讨论为教学形式，深入讨论各问题在理论知识和工程应用的涉及面，并由各小组对问题提出自认为可行的解决方案，最后由教师对各小组的表现给出评价以及合理的解决方案。本课程讨论课的目的在于锻炼学生查阅资料以及剖析问题找出问题核心的能力，让学生学会对同一问题的不同解决方案进行辨证，从而找出最优解决方案。

三、教学效果

通过两轮教学改革的实施，相较于传统的教学方式，此课程教学改革后能更好地实现课程教学目标，达到预设的学生愿意学、主动学、主动去解决问题的目的，对毕业要求和专业培养目标的达成起到了支撑作用。学生能够在以后的工作学习中做到简单问题不发愁、复杂问题不畏缩，能够真正地做到发现问题、分析问题、动手实践、解决问题 [6]。

课程考核包括平时出勤作业、实验、讨论、三级项目、结课考试五部分，其中实验、讨论和三级项目占总成绩的25%。根据成绩分布情况，整体的学习效果处于优良状态，A+、A占20%，B+、B占46.67%，C+、C占15%。学生积极性有所提高，学习主动性增强，对知识掌握的深入性、运用灵活性有所提高，上课认真听讲程度较好，能够领会教师讲授的知识与内涵，并注重对知识的应用与拓展。

学生至少掌握了一项专业相关软件，创新能力得到了提高，学生积极参与节能减排大赛和大学生创新项目，参与度增加。2019年有一名学生获推参加节能减排大赛国赛，两名学生获批河北省大学生创新项目，多名学生获批校级大学生创新项目，申请专利两项。

通过无记名调查，我们发现学生对于将数值模拟融入泵与风机课程中的教学方式接受度很高，并要求多增加相应学时。学生在三级项目实施过程中，能够主动去查阅相关资料，遇到困难也能互相商量解决。在汇报过程中，由组内同学相互补充，其他同学提问，能将理论知识更好地应用于实践。

数值模拟不受时间场地限制，教学效率高、成本低，参数更改容易，学生都有机会参与，学生主体作用得到了发挥，有利于教学改革的具体实施，同时也为其他专业课程、课程设计、毕业设计以及创新活动的开展奠定了基础。

四、结论

数值模拟技术将会是以后教学改革的方向之一，根据泵与风机课程的特点，将数值模拟融入泵与风机的教学中，对于学生更好地理解理论知识具有事半功倍的效果，提高了教学质量，更有利于提高学生的动手能力、创新能力。在泵与风机课程中将数值模拟技术引入其中是非常有必要的，同时其也对授课教师提出了更高的要求。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 何川，郭丽君.泵与风机[M].第四版.北京：中国电力出版社，2008.

[2] 叶学民，李春曦.泵与风机课程教学方法改革的实践与分析[J].教育教学论坛，2012（23）：171-172.

[3] 李梦迪，刘飞，古小敏，杨会.泵与风机课程教学改革与研究[J].教育教学论坛，2019（22）：142-143.

[4] 朱伯伦，张德先.数值模拟仿真试验在空气动力学教学改革中的应用研究[J].科技与创新，2017（9）：144+146.

[5] 胡桂娟.基于仿真試验技术的《建筑结构》教学改革实例研究[J].南宁职业技术学院学报，2014，19（3）：43-45.

[6] 岳丽芳，王春慧.应用型人才培养模式下流体力学泵与风机课程教学方法研究[J].中国教育技术装备，2018（12）：67-69.

[责任编辑：刘凤华]